城市軌道交通裝配式道岔道床設(shè)計(jì)與實(shí)踐

劉 觀，魯 彬，張光明，馮家琦

（1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2.北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；3.城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國(guó)家工程研究中心，北京 100037；4.重慶軌道四號(hào)線建設(shè)運(yùn)營(yíng)有限公司，重慶 404100；5.中鐵開(kāi)投重慶軌道交通建設(shè)指揮部，重慶 404100；6.北京興宏信合設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，北京 100037）

道岔是使機(jī)車(chē)車(chē)輛由一股軌道轉(zhuǎn)向或越過(guò)另一股軌道的連接設(shè)備，是鐵路軌道的重要組成部分[1]。目前國(guó)內(nèi)大部分城市軌道交通的道岔區(qū)采用現(xiàn)澆混凝土道床，主要有現(xiàn)澆短軌枕道岔道床[2]和長(zhǎng)枕埋入式道岔道床[3]。

由于道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、岔枕規(guī)格離散，道岔組裝工序繁瑣，道岔組裝需消耗較長(zhǎng)工期，其施工質(zhì)量容易受人為因素、環(huán)境因素的影響，施工質(zhì)量很難保證。為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者在高鐵上開(kāi)發(fā)了分別適用于路基段和橋梁段的預(yù)制道岔道床[4-5]。該類(lèi)預(yù)制道岔道床軌道結(jié)構(gòu)具有高度高、安裝空間大、結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜等特點(diǎn)，對(duì)于城市軌道交通地下線的適應(yīng)性較差，且鋪設(shè)于路基段和高架橋的預(yù)制道岔結(jié)構(gòu)形式及板下填充材料不統(tǒng)一，施工工藝等也較為繁瑣。

針對(duì)以上弊端，上海軌道交通在客運(yùn)專(zhuān)線預(yù)制道岔道床的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，其主要特征有[6]：預(yù)制道岔板平面基本形狀為梯形，道床自上而下由預(yù)制道岔板、自密實(shí)混凝土填充層、土工布、底座板等組成，底座板中設(shè)置限位凹槽及三元乙丙橡膠緩沖層，轉(zhuǎn)轍機(jī)采用角鋼安裝方式并對(duì)道岔板進(jìn)行加厚和開(kāi)槽。該預(yù)制道岔道床結(jié)構(gòu)的板下調(diào)整層統(tǒng)一為自密實(shí)混凝土，適當(dāng)降低了底座板厚度，但仍然存在左右開(kāi)道岔模具不通用、道床結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜、施工工序較多等問(wèn)題。

本文在既有的預(yù)制道岔道床經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了新型裝配式道岔道床設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了左右開(kāi)道岔模具的通用性及預(yù)制道岔板與隔離層等部件的工廠化裝配，并將轉(zhuǎn)轍機(jī)的安裝方式由角鋼式安裝優(yōu)化為托盤(pán)式安裝，目前該方案已成功應(yīng)用于實(shí)際工程中。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新型裝配式道岔道床自上而下分別由道岔鋼軌件、岔區(qū)扣配件、預(yù)制道岔板(含隔離層或減振墊)、自密實(shí)混凝土層等組成。

該裝配式道岔道床在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將傳統(tǒng)的下限位凹槽形式優(yōu)化為上限位凸臺(tái)，并在工廠內(nèi)將隔離層或減振墊與預(yù)制道岔板進(jìn)行復(fù)合，通過(guò)梁面或基底預(yù)留筋，將自密實(shí)混凝土層與下部基礎(chǔ)進(jìn)行聯(lián)結(jié)，另外在平面廓形、承軌臺(tái)、限位孔、轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝等多方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升了生產(chǎn)制造、施工、運(yùn)維的便利性。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 平面廓形及控制性尺寸

2.1.1 平面廓形

國(guó)內(nèi)城市軌道交通預(yù)制道岔板的平面基本形狀通常為梯形(如上海地鐵采用的預(yù)制道岔板)，左右開(kāi)道岔的預(yù)制道岔板需分別單獨(dú)生產(chǎn)，制造模具不能通用。

本文提出的新型裝配式道岔道床將預(yù)制道岔板的基本平面廓形優(yōu)化為矩形，如圖1 所示，承軌臺(tái)的模具采用“可拆卸式子?！被颉翱煞獠鹗结斂住保酝瑫r(shí)滿(mǎn)足道岔“左開(kāi)”和“右開(kāi)”的需求，節(jié)省一半的模具數(shù)量和費(fèi)用。

當(dāng)承軌臺(tái)模具采用“可拆卸式子模”時(shí)，將拆卸后的子模旋轉(zhuǎn)180°，即可實(shí)現(xiàn)左右開(kāi)道岔的模具互換，道岔板模具如圖2 所示。當(dāng)承軌臺(tái)模具采用“可封拆式釘孔”時(shí)，首先需在模具上預(yù)留所有釘孔，然后根據(jù)道岔的左右開(kāi)需求，在生產(chǎn)時(shí)封閉無(wú)用孔?！翱煞獠鹗结斂住蹦＞呷鐖D3 所示，相比而言，在生產(chǎn)時(shí)采用“可封拆式釘孔”更為便捷，但需注意無(wú)用孔封閉后的密閉性和平整度。

圖2 道岔板模具Figure 2 Mold of turnout plate

圖3 可封拆式釘孔Figure 3 Removable hole

2.1.2 控制性尺寸

城市軌道交通中常用的9#道岔全長(zhǎng)約為30 m，最寬處約4.5 m，若整體預(yù)制，則無(wú)法在隧道內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸，因此需要對(duì)道岔道床進(jìn)行分段，而分段太長(zhǎng)不利于預(yù)制道岔板的制造和運(yùn)輸，分段太短過(guò)于零碎，又會(huì)增加制造繁瑣性及生產(chǎn)成本，故需選擇適宜的道岔板分段長(zhǎng)度。

考慮到道岔大多設(shè)置在車(chē)站范圍，機(jī)械運(yùn)輸?shù)啦戆鍟r(shí)需通過(guò)限界較為緊張的站臺(tái)板區(qū)域，視車(chē)型的不同，線路中心線至站臺(tái)板邊緣的距離約為1 500～1 750 mm。軌行區(qū)的運(yùn)輸多采用走行軌龍門(mén)吊，結(jié)合站臺(tái)板區(qū)域限界，一般以長(zhǎng)度或?qū)挾确较虻钠渲幸贿叢淮笥? 000 mm 為宜，質(zhì)量方面需考慮運(yùn)輸機(jī)械的承載能力，一般不宜超過(guò)10 t/塊，故通常將預(yù)制道岔板分為12 塊。按該方案設(shè)計(jì)后，岔后預(yù)制板寬度較寬，可先行將道岔板橫向運(yùn)輸至道岔施工區(qū)，再采用叉車(chē)或?qū)Ｓ霉ぱb將其旋轉(zhuǎn)90°并運(yùn)至鋪設(shè)位置。

板厚方面，結(jié)合板長(zhǎng)和質(zhì)量并參考現(xiàn)有研究[7]，取為200 mm，對(duì)于有減振需求的地段，可通過(guò)增加道岔板的厚度以提升參振質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的減振效果。

2.2 承軌臺(tái)及限位結(jié)構(gòu)

2.2.1 承軌臺(tái)

道岔道床常用的承軌臺(tái)類(lèi)型有獨(dú)立承軌臺(tái)和通長(zhǎng)承軌臺(tái)兩種，如圖4 所示。

圖4 承軌臺(tái)類(lèi)型Figure 4 Rail support mode

普通板式軌道一般采用獨(dú)立承軌臺(tái)，在道床中間形成平直道床面，便于疏散和行走，但道岔零部件眾多，且釘孔位置各異，如果采用獨(dú)立承軌臺(tái)，則預(yù)制模具將變得非常復(fù)雜。

本文提出的方案采用通長(zhǎng)且平直的承軌臺(tái)形狀，以方便開(kāi)模和預(yù)制道岔板的制造，同時(shí)更便于承軌臺(tái)“可拆卸式子?！被颉翱煞獠鹗结斂住钡哪＞咴O(shè)計(jì)與拆裝。

2.2.2 限位結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)預(yù)制道岔道床結(jié)構(gòu)多采用源自CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的下限位方式，如圖5(a)所示，通過(guò)底座板的限位凹槽進(jìn)行限位，軌道板與調(diào)整層連為一體，從而限制軌道板的縱、橫向位移。其隔離層通常位于自密實(shí)混凝土層下部，由土工布、泡沫板等組成，施工時(shí)先施工底座板，然后現(xiàn)場(chǎng)施工隔離層、泡沫板等，調(diào)整軌道板完畢后澆筑調(diào)整層(自密實(shí)混凝土層)。該類(lèi)型道岔的軌道結(jié)構(gòu)高度高，施工工序多，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量大。

圖5 預(yù)制軌道板限位方式Figure 5 Limit mode of prefabricated track slab

裝配式道岔道床采用上限位式結(jié)構(gòu)[8]，如圖5(b)所示，該限位方式通過(guò)在預(yù)制道岔板上設(shè)置限位孔(兼做灌注孔和觀察孔)進(jìn)行限位。

因通長(zhǎng)承軌臺(tái)占據(jù)的平面空間較大，故需要將上限位凸臺(tái)由傳統(tǒng)的圓形孔優(yōu)化為長(zhǎng)方形孔，尺寸約為500 mm×250 mm，以方便自密實(shí)混凝土的灌注及限位孔鋼筋籠的放置，開(kāi)孔位置需注意不宜放在鋼軌件下方。

上限位結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆自密實(shí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及限位緩沖隔離層組成，以限制預(yù)制道岔板在承受各種水平荷載作用下發(fā)生位移。其中，限位緩沖隔離層設(shè)置于上限位凸臺(tái)和預(yù)制道岔板預(yù)留限位孔壁之間，起緩沖作用，并在工廠內(nèi)與預(yù)制道岔板限位孔壁進(jìn)行復(fù)合。限位孔作為灌注孔和觀察孔，每塊板配置數(shù)量不宜少于2 個(gè)，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，通過(guò)澆筑自密實(shí)混凝土，一次性形成板下自密實(shí)混凝土層和限位凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)的下限位凹槽形式，上限位結(jié)構(gòu)避免了凹槽處可能存水的問(wèn)題，便于限位結(jié)構(gòu)狀態(tài)的觀察及維護(hù)，將限位緩沖隔離層移至工廠進(jìn)行裝配后，進(jìn)一步減少了現(xiàn)場(chǎng)施工工序。

2.3 隔離層或減振墊

2.3.1 隔離層

隔離層可使得道岔結(jié)構(gòu)層間形成“自然離縫”，避免預(yù)制道岔板與板下結(jié)構(gòu)之間直接剛性接觸造成的接觸面損傷，同時(shí)讓預(yù)制道岔板具有一定的可更換性和可維修性。

傳統(tǒng)預(yù)制道岔道床的隔離層材料通常采用土工布，設(shè)置于自密實(shí)混凝土層與底座之間。城市軌道交通地下隧道內(nèi)潮濕多水，土工布吸水性能好，可能導(dǎo)致道床結(jié)構(gòu)層間長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)，影響軌道結(jié)構(gòu)的耐久性。因此結(jié)合科研成果和使用經(jīng)驗(yàn)[9-10]，一方面，將隔離層材質(zhì)由土工布優(yōu)化為黏結(jié)強(qiáng)度高、不吸水的改性聚氨酯涂噴材料，以減輕道床結(jié)構(gòu)受水害的影響；另一方面隔離層位置由自密實(shí)混凝土下表面調(diào)整到上表面，并在廠內(nèi)完成與預(yù)制道岔板的復(fù)合，采用“預(yù)制板-隔離層”一體化組裝供貨以提高工廠化率，進(jìn)一步減少現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)量，且便于運(yùn)營(yíng)階段的道岔板更換或維修。

2.3.2 減振墊

地鐵振動(dòng)噪聲污染的溯源、治理難度均較大，因此對(duì)軌道減振的要求越來(lái)越高，道岔區(qū)作為軌道的薄弱環(huán)節(jié)，其振動(dòng)噪聲通常比非岔區(qū)更為嚴(yán)重。既有的道岔區(qū)減振墊道床均采用了現(xiàn)澆道床，更換和維修都較為不便，施工質(zhì)量和減振效果容易受到各方面原因的綜合影響。

取消裝配式道岔道床結(jié)構(gòu)中的板下隔離層，在相同位置替換為減振墊，通過(guò)黏結(jié)等形式與預(yù)制道岔板在工廠內(nèi)進(jìn)行“板墊復(fù)合”，并在限位孔四周設(shè)置彈性隔離套筒，可實(shí)現(xiàn)裝配式減振墊道岔道床[11]，與非減振裝配式道岔道床相比，其預(yù)制構(gòu)件模具一致，道床結(jié)構(gòu)組成和施工方法相同，通用性進(jìn)一步提升。

2.4 轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝接口預(yù)留

國(guó)內(nèi)城市軌道交通道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)通常采用角鋼安裝[12]，在相應(yīng)的轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝位置處對(duì)預(yù)制道岔板進(jìn)行開(kāi)槽，以滿(mǎn)足角鋼安裝空間的需求，由此會(huì)造成預(yù)制道岔板強(qiáng)度的削弱和預(yù)制道岔板板厚的增加。

將角鋼式安裝優(yōu)化為托盤(pán)式安裝后，轉(zhuǎn)轍機(jī)可直接固定于預(yù)制道岔板的預(yù)埋螺栓中，轉(zhuǎn)轍機(jī)拉桿位于板縫位置，從而避免了預(yù)制道岔板開(kāi)槽，進(jìn)一步提升了道岔的整體性，保證了預(yù)制道岔板的強(qiáng)度。托盤(pán)式安裝轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝位置如圖6 所示，相較于角鋼式安裝的預(yù)制道岔板，其厚度可由220 mm 降低為200 mm，混凝土用量降低約10%。

圖6 轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝位置Figure 6 Installation position of switch machine

3 工程應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

因預(yù)制道岔板的釘孔位置精準(zhǔn)，道岔板的面積相對(duì)較大，因此道岔拼裝的速度得到了大大提升，在重慶軌道交通4 號(hào)線二期工程，其施工速度可達(dá)2 d/組，較傳統(tǒng)現(xiàn)澆道岔道床提升近4 倍，施工便利性顯著增強(qiáng)。

裝配式道岔道床的主要施工工序?yàn)椋簻y(cè)量土建施工誤差→自密實(shí)混凝土層及限位凸臺(tái)鋼筋綁扎→運(yùn)輸和粗鋪預(yù)制板→拼裝道岔和精調(diào)→關(guān)模及澆筑自密實(shí)混凝土層→澆筑道床兩側(cè)水溝及其周邊混凝土→混凝土養(yǎng)護(hù)及成品保護(hù)。

相較于現(xiàn)澆道床，在不考慮模具費(fèi)用的情況下，裝配式道岔道床造價(jià)高出約10 萬(wàn)元/組。在大規(guī)模使用條件下可進(jìn)一步降低模具費(fèi)用攤銷(xiāo)，節(jié)約生產(chǎn)成本。

與現(xiàn)澆整體道床相似，開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后無(wú)需進(jìn)行額外的養(yǎng)護(hù)維修，高品質(zhì)的裝配式道岔道床也為道岔精度和質(zhì)量提供了保障。開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后的裝配式道岔道床如圖7 所示。

圖7 裝配式道岔道床Figure 7 Assembled turnout track bed

4 結(jié)論

本文在借鑒高鐵和既有城市軌道交通預(yù)制道床的經(jīng)驗(yàn)上，開(kāi)發(fā)了新型城市軌道交通裝配式道岔道床，其主要特點(diǎn)為：

1) 通過(guò)“矩形”的基本平面形狀+“可拆卸式子?！被颉翱煞獠鹗结斂住睂?shí)現(xiàn)了左右開(kāi)道岔模具的通用性。

2) 采用上限位結(jié)構(gòu)，并在工廠內(nèi)完成限位緩沖隔離層、板底噴涂隔離層(或減振墊)與預(yù)制道岔板的復(fù)合，大幅減少了現(xiàn)場(chǎng)工作量。

3) 將轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝方式由角鋼式安裝優(yōu)化為托盤(pán)式安裝，減少了預(yù)制道岔板厚度，節(jié)省了混凝土用量，提升了道岔道床的整體性和強(qiáng)度。

4) 與現(xiàn)澆道岔道床相比，裝配式道岔道床的施工速度可達(dá)2 d/組，工效提升近4 倍，施工便利性顯著增強(qiáng)。

在我國(guó)目前大力推廣綠色建造、裝配式建筑的背景下，裝配式軌道技術(shù)已成為當(dāng)前軌道技術(shù)的主要發(fā)展方向。道岔區(qū)道床結(jié)構(gòu)裝配式技術(shù)的研究及應(yīng)用，對(duì)于促進(jìn)城市軌道交通裝配式軌道技術(shù)的進(jìn)步及推廣應(yīng)用起到了重要作用。